Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten Oszillator und
insbesondere einen spannungsgesteuerten Oszillator, der aus komplementären
MOS-Transistoren besteht.
Beschreibung der verwandten Technik
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Spannungsgesteuerte Oszillatoren (nachstehend "VCO" genannt) hat man aus
komplementären MOS-Transistoren (genannt "CMOS-Transistoren") oder
bipolaren Transistoren gebildet. VCO-Schaltungen für Hochfrequenz von 5 bis 10 MHz
hat man im allgemeinen aus Bipolartransistoren gebildet. Neuerdings hat man
VCO-Schaltungen entwickelt, die aus CMOS-Transistoren gebildet sind, die bei
einer hohen Frequenz schwingen.
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Die aus CMOS-Transistoren gebildeten VCO-Schaltungen haben jedoch den
Nachteil, daß die Mittenfrequenz einer Hochfrequenzschwingung sehr schwankt und
daß aufgrund von digitalem Rauschen, das einer Versorgungsspannung überlagert
ist, leicht ein Jitter auftritt.
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Aufgrund der oben erwähnten Umstände bestanden herkömmliche VCO-
Schaltungen, die eine Hochfrequenzschwingung erzeugen, aus Bipolartransistoren,
und daher hat man es für unmöglich gehalten, eine VCO-Schaltung innerhalb einer
integrierten Schaltung aufzubauen.
Abriß der Erfindung
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine VCO-
Schaltung zu schaffen, die den oben erwähnten Mangel der herkömmlichen
Schaltung überwindet.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine VCO-Schaltung zu
schaffen, die eine Hochfrequenzschwingung erzeugen kann und die aus CMOS-
Transistoren besteht, so daß die VCO-Schaltung auf einer integrierten Schaltung
verwirklicht werden kann.
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Die obigen und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gemäß der
vorliegenden Erfindung durch einen spannungsgesteuerten Oszillator gelöst, der
eine Differentialschaltung, die aus einem ersten und einem zweiten
MOS-Transistor besteht, die jeder einen Drain aufweisen, der mit einem Gate des anderen
MOS-Transistors verbunden ist, und die jeder eine Source aufweisen, die mit einer
Konstantstromquelle verbunden ist, einen zwischen den Sources des ersten und
des zweiten MOS-Transistors verbundenen Kondensator, eine erste
Stromspiegelschaltung, die einen mit dem Drain des ersten MOS-Transistors verbundenen
Eingang und einen mit dem Drain des zweiten MOS-Transistors verbundenen
Ausgang aufweist, und eine zweite Stromspiegelschaltung aufweist, die einen mit
dem Drain des zweiten MOS-Transistors verbundenen Eingang und einen mit dem
Drain des ersten MOS-Transistors verbundenen Ausgang aufweist, wobei ein
Stromwert der Konstantstromquellen gesteuert wird, um zu bewirken, daß sich
eine Schwingfrequenz ändert.
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In einer Ausführungsform der VCO-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der Ausgang jedes des ersten und des zweiten MOS-Transistors über eine
Sourcefolgerschaltung an das Gate des anderen MOS-Transistors rückgekoppelt.
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Mit der oben erwähnten Anordnung ist die VCO-Schaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung auf eine solche Weise aus CMOS-Transistoren aufgebaut, daß
eine Ein-Aus-Zustandsinversion in bezug auf einen Schwellenpegel durch eine
Mitkopplungs-Verstärkerschleife der Differentialschaltung verwirklicht wird, anders
als bei der herkömmlichen CMOS-VCO-Schaltung, bei der die Zustandsinversion
unter Verwendung einer Schleife erzielt wird, die aus einer Anzahl von Gates
besteht. Da die VCO-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung aus CMOS-
Transistoren besteht, kann die VCO-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
daher leicht in einer integrierten Schaltung eingebaut werden. Da die
VCO-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung den Ein-Aus-Zustand unter Verwendung
der Mitkopplungsschleife des Differentialverstärkers invertiert, kann die VCO-
Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung außerdem bei einer hohen Frequenz
arbeiten, ohne von Spannungsversorgungsrauschen beeinflußt zu werden.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform der CMOS-VCO-Schaltung gemäß
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist ein Signalformdiagramm, das Spannungsänderungen an verschiedenen
Punkten in der in Fig. 1 gezeigten CMOS-VCO-Schaltung zeigt; und
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Fig. 3 ist ein Schaltplan einer anderen Ausführungsform der CMOS-VCO-
Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Schaltplan der VCO-Schaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.
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Die gezeigte VCO-Schaltung enthält einen Anschluß 1, der mit einer positiven
Spannungsversorgung zu verbinden ist, einen anderen Anschluß 2, der mit einer
negativen Spannungsversorgung zu verbinden ist, einen Steueranschluß 3 für den
Empfang einer nachstehend erläuterten Steuerspannung und einen
Ausgangsanschluß 4.
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Die gezeigte VCO-Schaltung enthält eine Differentialschaltung, die als
Mitkopplungsverstärker arbeitet. Diese Differentialschaltung besteht aus einem Paar
NMOS-Transistoren 37 und 38, die jeder ein Gate aufweisen, das mit einem Drain
des anderen Transistors verbunden ist. Source-Anschlüsse des Paares NMOS-
Transistoren 37 und 38 sind über einen Kondensator 43 miteinander verbunden
und jeweils mit Konstantstromquellen verbunden. Insbesondere ist die Source des
NMOS-Transistors 37 mit einem Drain eines NMOS-Transistors 39 verbunden,
dessen Source geerdet oder mit dem negativen Spannungsanschluß 2 verbunden
ist. Die Source des NMOS-Transistors 38 ist mit einem Drain eines NMOS-
Transistors 40 verbunden, dessen Source geerdet oder mit dem negativen
Spannungsanschluß 2 verbunden ist. Gate-Anschlüsse dieser NMOS-Transistoren
39 und 40 sind mit dem Steueranschluß 3 verbunden, um eine Steuerspannung zu
empfangen.
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Ferner ist der Drain des NMOS-Transistors 37 mit einem Drain und einem Gate
eines PMOS-Transistors 31 verbunden, dessen Source mit dem positiven
Spannungsanschluß 1 verbunden ist. Außerdem ist der Drain des NMOS-Transistors 37
mit einem Gate eines PMOS-Transistors 32, dessen Source mit dem positiven
Spannungsanschluß 1 verbunden ist, und mit einem Drain eines PMOS-Transistors
33 verbunden, dessen Source mit dem positiven Spannungsanschluß 1 verbunden
ist. Andererseits ist der Drain des NMOS-Transistors 38 mit einem Drain und
einem Gate eines PMOS-Transistors 34 verbunden, dessen Source mit dem
positiven Spannungsanschluß 1 verbunden ist. Ferner ist der Drain des NMOS-
Transistors 38 mit einem Gate des PMOS-Transistors 33 und einem Drain des
PMOS-Transistors 32 verbunden. Der PMOS-Transistor 31 bildet nämlich eine Last
für den NMOS-Transistor 37, und der PMOS-Transistor 34 bildet eine Last für den
NMOS-Transistor 38. Außerdem bilden die PMOS-Transistoren 31 und 32 eine
Stromspiegelschaltung, in der der PMOS-Transistor 31 als Eingangsstrompfad
wirkt und der PMOS-Transistor 32 als Ausgangsstrompfad wirkt. Die PMOS-
Transistoren 33 und 34 bilden eine weitere Stromspiegelschaltung, in der der
PMOS-Transistor 34 als Eingangsstrompfad wirkt und der PMOS-Transistor 33 als
Ausgangsstrompfad wirkt.
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Außerdem sind die Drain-Anschlüsse der NMOS-Transistoren 37 und 38 mit Gate-
Anschlüssen eines Paares PMOS-Transistoren 35 bzw. 36 verbunden. Source-
Anschlüsse dieser PMOS-Transistoren 35 und 36 sind mit dem positiven
Spannungsanschluß 1 verbunden. Ein Drain des PMOS-Transistors 35 ist mit einer
Eingangsseite einer Stromspiegelschaltung verbunden, die aus einem Paar NMOS-
Transistoren 41 und 42 besteht. Insbesondere ist der Drain des PMOS-Transistors
35 mit einem Drain und einem Gate des NMOS-Transistors 41 verbunden, dessen
Source wiederum mit dem negativen Spannungsanschluß 2 verbunden ist. Ein
Drain des PMOS-Transistors 36 ist mit einer Ausgangsseite der
Stromspiegelschaltung verbunden, nämlich einem Drain des NMOS-Transistors 42, dessen
Gate wiederum mit einem Drain und einem Gate des NMOS-Transistors 41
verbunden ist und dessen Source mit dem negativen Spannungsanschluß 2
verbunden ist. Ein Verbindungsknoten zwischen dem PMOS-Transistor 36 und
dem NMOS-Transistor 42 ist mit dem Ausgangsanschluß 4 als Ausgang der VCO-
Schaltung verbunden.
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Der Betrieb der in Fig. 1 gezeigten CMOS-VCO-Schaltung wird nun unter
Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, die ein Signalformdiagramm zur Darstellung einer
Betriebsweise der in Fig. 1 gezeigten CMOS-VCO-Schaltung zeigt.
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Wenn der NMOS-Transistor 37 nichtleitend ist und der NMOS-Transistor 38
leitend ist, fließt ein Drainstrom des NMOS-Transistors 40 durch den NMOS-
Transistor 38. Daher wird ein Sourcepotential des NMOS-Transistors 38 auf einem
Pegel gehalten, der um eine nachstehend erläuterte Spannung VP niedriger als die
positive Versorgungsspannung VDD des Anschlusses 1 ist und wird ein
Drainpotential des NMOS-Transistors 38 in Übereinstimmung mit einer
Rechteckcharakteristik des PMOS-Transistors 34 geklemmt.
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Da der NMOS-Transistor 37 nichtleitend ist, fließt andererseits ein Drainstrom des
NMOS-Transistors 39, um den Kondensator 43 zu entladen, so daß das
Sourcepotential des NMOS-Transistors 37 allmählich niedriger wird. Wenn das
Sourcepotential des NMOS-Transistors 37 eine Spannung erreicht, die den NMOS-
Transistor 37 einschaltet, nämlich eine Spannung, die um (VP + VN) (VN wird
später beschrieben) niedriger ist als VDD, werden die Ein-Aus-Zustände der NMOS-
Transistoren 37 und 38 augenblicklich invertiert, da die NMOS-Transistoren 37
und 38 den Mitkopplungsverstärker bilden, wie oben erwähnt, mit der Wirkung,
daß der NMOS-Transistor 37 eingeschaltet wird und der NMOS-Transistor 38
ausgeschaltet wird. Aufgrund dieser schnellen Inversion des Ein-Aus-Zustands
wird das Sourcepotential des NMOS-Transistors 37 schnell auf VDD - VP erhöht,
und daher ist der Kondensator 43 nicht wesentlich entladen worden.
Dementsprechend wird das Sourcepotential des NMOS-Transistors 38 um eine Spannung
erhöht, die der Erhöhung des Sourcepotentials des NMOS-Transistors 37 durch
die Wirkung einer im Kondensator gespeicherten Restladung entspricht.
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Wenn der NMOS-Transistor 38 nichtleitend ist und der NMOS-Transistor 37
leitend ist, fließt der Drainstrom des NMOS-Transistors 39 durch den NMOS-
Transistor 37. Daher wird das Sourcepotential des NMOS-Transistors 37 an einen
Pegel geklemmt, der um die Spannung VP niedriger als die positive
Versorgungsspannung VDD des Anschlusses 1 ist, und wird das Drainpotential des NMOS-
Transistors 37 in Übereinstimmung mit einer Rechteckcharakteristik des PMOS-
Transistors 31 geklemmt.
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Da der NMOS-Transistor 38 nichtleitend ist, fließt andererseits der Drainstrom des
NMOS-Transistors 40, um den Kondensator 43 zu entladen, so daß das
Sourcepotential des NMOS-Transistors 38 allmählich niedriger wird. Wenn das
Sourcepotential des NMOS-Transistors 38 eine Spannung erreicht, die den NMOS-
Transistor 38 einschaltet, nämlich eine Spannung, die um (VP + VN) niedriger als
VDD ist, werden die Ein-Aus-Zustände der NMOS-Transistoren 37 und 38
augenblicklich invertiert, mit der Wirkung, daß der NMOS-Transistor 38 eingeschaltet
wird und der PMOS-Transistor 37 ausgeschaltet wird, da die NMOS-Transistoren
37 und 38 den Mitkopplungsverstärker bilden, wie oben erwähnt.
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Aufgrund dieser schnellen Inversion der Ein-Aus-Zustände wird das
Sourcepotential des NMOS-Transistors 38 schnell auf VDD - VP erhöht, und da der Kondensator
43 nicht wesentlich entladen worden ist, wird das Sourcepotential des NMOS-
Transistors 37 um eine Spannung erhöht, die der Erhöhung des Sourcepotentials
des NMOS-Transistors 38 durch die Wirkung einer im Kondensator gespeicherten
Restladung entspricht.
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Der oben erwähnte Betrieb wird wiederholt, so daß die VCO-Schaltung ihren
Schwingungszustand beibehält.
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VP und VN sind hier wie folgt definiert:
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VP = VTP + (2 x IO/βP)1/2
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VN = VTN + (2 x IO/βN)1/2
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wobei
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βP = KP x (WP/LP)
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βN = KN x (WN/LN)
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IO ist ein Konstantstromwert des NMOS-Transistors 39 (oder des NMOS-
Transistors 40)
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Kp und KN sind [Beweglichkeit] x [Einheits-Gatekapazität] der PMOS- bzw. NMOS-
Transistoren
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WP und LP sind eine Gatebreite und eine Gatelänge der PMOS-Transistoren 31, 32,
33 bzw. 34
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WN und LN sind eine Gatebreite und eine Gatelänge der NMOS-Transistoren 37
bzw. 38
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VTP ist eine Schwellenspannung der PMOS-Transistoren
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VTN ist eine Schwellenspannung der NMOS-Transistoren
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ln dem aus den NMOS-Transistoren 37 und 38 bestehenden
Mitkopplungsverstärker enthält eine Last für den NMOS-Transistor 37 hier den PMOS-Transistor 31
mit der Rechteckcharakteristik und den PMOS-Transistor 33, der als aktive Last
wirkt. Andererseits enthält eine Last für den NMOS-Transistor 38 den PMOS-
Transistor 34 mit der Rechteckcharakteristik und den PMOS-Transistor 32, der als
aktive Last wirkt. Daher werden die Drainspannungen der NMOS-Transistoren 37
und 38 in Übereinstimmung mit der Rechteckcharakteristik der PMOS-Transistoren
31 bzw. 33 geklemmt, und andererseits wird durch die aktiven Lasten der PMOS-
Transistoren 32 bzw. 33 eine hohe Verstärkung erzielt. Außerdem können diese
Transistoren mit einer relativ kleinen Fläche im Maskenlayout verwirklicht werden.
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Die Schwingfrequenz dieser VCO-Schaltung ist ferner wie folgt gegeben:
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fOSC = IO/(2 x (VP + VN) x C&sub4;&sub3;)
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wobei
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IO ein Drainstrom der NMOS-Transistoren 39 und 40 ist
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C&sub4;&sub3; eine Kapazität des Kondensators 43 ist
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Da die Inversion des Ein-Aus-Zustands unter Verwendung der positiven
Mitkopplung des Differentialverstärkers bewirkt wird, der eine Gleichtaktempfindlichkeit
aufweist, die zehn- bis dreißigmal so groß wie die einer Einzelansteuerungs-
Transistorschaltung ist, etwa eines Inverters, kann die VCO-Schaltung im
Vergleich zu der herkömmlichen CMOS-VCO-Schaltung ferner mit weniger Jitter
aufgrund der mit digitalem Rauschen überlagerten Versorgungsspannung stabil
schwingen.
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Da der Ein-Aus-Zustand durch die Mitkopplung des Differentialverstärkers
invertiert wird, ist die Inversionsgeschwindigkeit außerdem sehr hoch, und daher kann
die VCO-Schaltung eine Schwingfrequenz von mehreren zehn MHZ erzeugen.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird eine andere Ausführungsform der VCO-
Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. ln Fig. 3 sind Elementen, die
den in Fig. 1 gezeigten Elementen ähnlich sind oder ihnen entsprechen, die
gleichen Bezugszeichen gegeben, und ihre Erläuterung wird weggelassen.
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Wie aus einem Vergleich zwischen Fig. 1 und 3 zu sehen ist, wird der Drain-
Ausgang jedes Transistors in der Differentialschaltung über einen Sourcefolger mit
dem Drain des anderen Transistors mitgekoppelt. Der Drain des NMOS-Transistors
37 ist nämlich mit einem Gate eines NMOS-Transistors 50 verbunden, dessen
Drain mit dem positiven Spannungsanschluß 1 verbunden ist und dessen Source
über eine Konstantstromquelle, die aus einem NMOS-Transistor 53 gebildet ist,
dessen Gate mit dem Steueranschluß 3 verbunden ist, mit dem negativen
Spannungsanschluß 2 verbunden ist. Ein Knoten zwischen der Source des NMOS-
Transistors 50 und dem Drain des NMOS-Transistors 53 ist mit dem Gate des
NMOS-Transistors 38 verbunden. Andererseits ist der Drain des NMOS-
Transistors 38 mit einem Gate eines NMOS-Transistors 51 verbunden, dessen
Drain mit dem positiven Spannungsanschluß 1 verbunden ist und dessen Source
über eine weitere Konstantstromquelle, die aus einem NMOS-Transistor 52
gebildet ist, dessen Gate mit dem Steueranschluß 3 verbunden ist, mit dem
negativen Spannungsanschluß 2 verbunden ist. Ein Knoten zwischen der Source
des NMOS-Transistors 51 und dem Drain des NMOS-Transistors 52 ist mit dem
Gate des NMOS-Transistors 37 verbunden.
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Die Schwingfrequenz dieser VCO-Schaltung ist wie folgt gegeben:
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fOSC = IO/(2 x (VP + 2 x VN) x C&sub4;&sub3;)
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Da sich die in Fig. 3 gezeigte VCO-Schaltung von der in Fig. 1 gezeigten VCO-
Schaltung nur in dem Punkt unterscheidet, daß der Sourcefolger in jedem
Mitkopplungsweg vorgesehen ist, wie oben erwähnt, ergibt sich, daß die VCO-
Schaltung von Fig. 3 im Prinzip ähnlich wie die VCO-Schaltung von Fig. 1
arbeitet.
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Bei Hinzufügung der Sourcefolgerschaltung ist außerdem die
Drain-Source-Spannung des Differentialverstärkers gesichert. Infolgedessen wird verhindert, daß die
Transistoren im Zeitpunkt der Schaltoperation gesättigt werden, und selbst wenn
die Eingänge der Differentialverstärker miteinander im Gleichgewicht sind, wird die
Verstärkung nicht verringert. Daher kann die in Fig. 3 gezeigte VCO-Schaltung mit
einer höheren Geschwindigkeit als derjenigen der in Fig. 1 gezeigten VCO-
Schaltung schalten.
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Die Erfindung ist somit unter Bezugnahme auf die bestimmten Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben worden. Man beachte jedoch, daß die vorliegende
Erfindung in keiner Weise auf die Details der dargestellten Konstruktionen
beschränkt ist, daß aber im Rahmen der beigefügten Ansprüche Änderungen und
Modifizierungen vorgenommen werden können.